第9章 DA转换器和AD转换器

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9.2 D/A转换器
主要内容
D/A转换器的电路结构框图 二进制权电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络D/A转换器 D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系 D/A转换器的3个主要技术参数 集成ADC0832及其应用
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9.2.1 D/A转换器的电路结构
1.D/A转换器的基本原理和转换特性 基本原理：将输入的每一位二进制代码按其权的 大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量 相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实 现了从数字量到模拟量的转换。 转换特性：D/A转换器的转换特性，是指其输出 模拟量和输入数字量之间的转换关系。 理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量 与输入数字量成正比。
VREF R V 1 I 2 = I REF = REF 4 4R V 1 I 0 = I REF = REF 16 16 R I REF =
求和运算放大器的输出电压为
vo = − RF iF = − RF iΣ = − VREF RF 3 (2 ⋅ D3 + 2 2 ⋅ D2 + 21 ⋅ D1 + 20 ⋅ D0 ) 24 R
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2．常用A/D转换器的工作特点 转换速度最高的是：并联比较型ADC； 转换速度最低的是：双积分型ADC； 转换精度最高的是：双积分型ADC； 转换精度最低的是：并联比较型ADC； 转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC
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9.3.3 A/D转换器的主要技术参数
1．分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数n表示， 位数越多，对输入模拟信号的分辨能力越强。 2．转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输 出数字量之间的差别。常用最低有效位（LSB）的倍 数表示。 3．转换时间 转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间 是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的 数字输出信号所经过的这段时间。
v o = K v ( d n − 1 ⋅ 2 n −1 + d n − 2 ⋅ 2 n − 2 + L + d 1 ⋅ 2 1 + d 0 ⋅ 2 0 )
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2．D/A转换器的电路结构框图 n位D/A转换器的电路结构框图如图所示。
D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关、解码 网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以 串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存 器输出的每位数码驱动对应的数位上的电子开关将 在电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电 路。求和电路将各位权值相加便得到与数字量对应 的模拟量。
第9章 D/A转换器和A/D转换器
内容提要： 内容提要：
（1）D/A、A/D转换器的概念、基本工作原理。 （2）集成D/A、A/D转换器的应用 。
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9.1 概述
主要内容： 主要内容：
D/A、A/D转换器的概念 D/A、A/D转换器的实际举例
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1．D/A、A/D转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器， 简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的 电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。 2．D/A、A/D转换器的实际举例 如图为一个锅炉加热信号采集和控制系统
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9.2.4 D/A转换器的主要技术参数
1．分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨 率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的 输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模 拟电压。 分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压 VLSB（输入数字只有最低位为1）与最大输出电压 VFSR（输入数字全为1）的比值来表示
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采样和保持操作示意图如下：
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2．量化－编码 一般把上述采样保持后的值以某个“最小 数量单位”的整数倍来表示，这一过程称为量 量 量化单位或量化 化。规定的最小数量单位称为量化单位 量化 量化单位 间隔，用“δ” 表示。 间隔 量化的方法一般有两种：四舍五入法和舍 去小数法。 （1）四舍五入法：把＜δ/2的电压作为“0δ” 处理，把≥δ/2而＜3/2δ的电压作为“1δ”处理； （2）舍去小数法：把＜δ的电压作为“0δ”处 理，把≥δ而＜2δ的电压作为“1δ”处理。
R－2R倒T形电阻网络的特点为： ①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端 网络等效电阻都是R。 ②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入 端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字 信号是1还是0，各支路的电流不变。
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从参考电压端输入的电流为
V 1 I REF = REF 2 2R V 1 I 1 = I REF = REF 8 8R I3 =
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9.3.4 集成A/D转换器及应用举例
ADC0809原理框图和芯片引脚排列图如图所示。
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ADC0809典型应用电路如下图。
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例9-4 某8位A/D转换器的输入模拟电压满量程为5V， 当输入电压为1.96V时，求对应的输出数字量？ 解：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正 比： Vi = K ⋅ D10 5 1.96 所以有： =
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3．转换时间（输出建立时间） 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定 值时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时 间）。
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9.2.5 集成D/A转换器及应用举例
DAC0832的逻辑符号和引脚图如图所示。
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下图是DAC0832典型应用电路图。
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9.3 A/D转换器
主要内容
A/D转换的4个步骤 A/D转换器的种类 A/D转换器的3个主要技术参数 A/D转换器的数字输出与模拟输入之间的关系 集成ADC0809及应用
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9.3.1 A/D转换的一般步骤
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程 通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。 1．采样－保持 采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上 离散的信号。 其采样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的 最高频率fmax的两倍。 采样后的值必须保持不变，直到下一次采样。 因为A/D转换必须有时间处理采样值。
(11111111)10 ( D )10
( D)10 ≈ 100Βιβλιοθήκη 故输出数字量D＝01100100。
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采用不同量化方式其结果存在差异，而且上述量 化结果与采样值之间存在误差，这种误差称为量化误 量化误 差。 把上述量化结果用代码表示，称为编码 编码。 编码
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9.3.2 A/D转换器的种类
1．A/D转换器的种类 A/D转换器按照工作原理的不同可分为直接A/D转 换器和间接A/D转换器。 直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字 量，间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换成中间 量，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。 常用的直接A/D转换器有并联比较型A/D转换器和逐次 比较型A/D转换器。常用的间接A/D转换器有中间量为 时间的双积分型A/D转换器，中间量为频率的电压－ 频率转换型A/D转换器。
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9.2.2 二进制权电阻网络D/A转换器
1．电路结构 二进制权电阻网络D/A转换器如图所示。
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2．权电阻网络D/A转换电路的工作原理 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端 （虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号 是1还是0，各支路的电流是不变的。
I0 = VREF 8R I1 = VREF 4R I2 = VREF 2R I3 = VREF R
i∑ = I 0 D0 + I1 D1 + I 2 D2 + I 3 D3 = =
VREF V V V D0 + REF D1 + REF D2 + REF D3 8R 4R 2R R
VREF 3 (2 ⋅ D3 + 2 2 ⋅ D2 + 21 ⋅ D1 + 2 0 ⋅ D0 ) 23 R
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例9-1 4位二进制权电阻网络DAC如图9-5所示，设 基准电压VREF=-8V，RF= R/2，试求输入二进制数 D3D2D1D0=1001时的输f出电压值。 解：将D3D2D1D0=1101代入得
vo = − V REF 3 ( 2 ⋅ D3 + 2 2 ⋅ D2 + 2 1 ⋅ D1 + 2 0 ⋅ D0 ) 24 − 8V = − 4 ( 2 3 ⋅ 1 + 2 2 ⋅ 0 + 2 1 ⋅ 0 + 2 0 ⋅ 1) 2 = 4.5V
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9.2.3 倒T型电阻网络D/A转换器
R－2R倒T形电阻网络D/A转换器如图所示。
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例9-3 4位R－2R倒T形电阻网络DAC如图9-7所示， 设基准电压VREF=-8V，RF= R，试求其最大输出电 压值。 解：将D3D2D1D0=1111代入
vo = − V REF 3 ( 2 ⋅ D3 + 2 2 ⋅ D2 + 2 1 ⋅ D1 + 2 0 ⋅ D0 ) 24 − 8V = − 4 ( 2 3 ⋅ 1 + 2 2 ⋅ 1 + 21 ⋅ 1 + 2 0 ⋅ 1) 2 = 7.5V